Часть 1

4)высокий коэффициент разветвления (высокая нагрузочная способность);

5)возможность работы на низкоомные согласованные линии связи и нагрузки;

6)малая мощность переключения и отсутствие зависимости тока потребления от частоты переключения;

7)использование биполярной технологии изготовления.

15.6. Интегральная инжекционная логика (И2Л)

Схемы интегральной инжекционной логики, иногда называемые совмещенной транзисторной логикой (СТЛ) или схемами с инжекционным питанием, нашли широкое применение при создании БИС и СБИС и не имеют аналогов среди логических элементов на дискретных транзисторах. В БИС с инжекционным питанием управление осуществляется путем инжекции неравновесных носителей в полупроводниковый кристалл через инжекторный переход.

Питание на инжектор подается от внешнего генератора тока или от источника напряжения через внешний резистор. Напряжение питания невелико и составляет 1…1,5 В. Схемы с инжекционным питанием могут нормально функционировать при изменении тока питания Iп в широких пределах (10-8...10-3 А), что достигается изменением сопротивления резистора, который для уменьшения мощности рассеивания в кристалле находится вне корпуса микросхемы. Изменяя сопротивление резистора R или напряжение источника питания UИП, можно в широких пределах (3...4 порядка) регулировать ток питания, мощность, потребляемую схемой, и быстродействие, что невозможно выполнять в ТТЛ и ЭСЛ схемах. Инжекционные логические схемы способны работать при сверхмалых токах (1 нА), в связи с чем возникает проблема токовой совместимости с другими логическими элементами. Увеличение тока обеспечивается с помощью каскадирования элементов И2Л с соответствующим ростом площади коллекторов от каскада к каскаду. Входная цепь И2Л выполняется с учетом совместимости ее входных и выходных сигналов с сигналами предшествующих каскадов, которыми обычно служат элементы ТТЛ типа.

Основой элементов интегральной инжекционной логики является ключ, представляющий собой транзистор с инжекционным питанием. Упрощенная эквивалентная схема его состоит из транзистора n-р-n типа и генератора тока инжекции IИ в цепи базы. Схема элемента, выполняющего логическую операцию ИЛИ-НЕ, представлена на рис. 15.28, а.

Принцип работы схемы следующий. Если хотя бы на один из входов схемы подать сигнал логической единицы от предыдущей схемы, у которой транзистор закрыт, то ток от генератора тока IИ потечет в базу транзи-

291

стора, он открывается и переходит в режим насыщения. Выходное напряжение соответствует логическому нулю. Если на обоих входах действуют сигналы логического нуля, т.е. они закорочены, токи IИ не будут проходить в базу транзисторов, а потекут во входные цепи. Транзисторы VТ1 VT2 будут закрыты, их выходное напряжение соответствует логической единице. Таким образом, параллельное соединение нескольких ключей образует логический элемент ИЛИ-НЕ. Принципиальная схема логического элемента И-НЕ представлена на рис. 15.28, б. Сигнал на общем выходе схемы – коллекторе транзистора VТ5 будет тогда, когда на входы одновременно поступают одинаковые сигналы. Если на все входы подается низкий потенциал, соответствующий логическому нулю, инвертор VT5 закрывается и на выходе имеется высокий потенциал.

Uвых

Iи

а

б

Рис. 15.28. Принципиальная схема логического элемента ИЛИ-НЕ (а) и И-НЕ (б) И2Л-логики

При подключении нескольких входных цепей к выходу одного каскада может ухудшиться функциональная надежность элемента, потому что входные (базовые) токи нагрузочных транзисторов в режиме насыщения зависят от коллекторных токов входных транзисторов. Транзисторы с большими коллекторными токами будут иметь меньший коэффициент насыщения. Для устранения этого недостатка используются многоколлекторные n-р-n-транзисторы, у которых в области базы формируется не-

292

сколько коллекторных областей. На рис. 15.29 представлена схема, выполняющая логические операции ИЛИ-НЕ и ИЛИ, которая является основой для создания более сложных цифровых схем. Число коллекторов переключательного транзистора определяет нагрузочную способность схемы.

Интегральные инжекционные логические схемы являются перспективными для совершенствования БИС. Структуры с инжекционным питанием все время совершенствуются:

1)за счет использования диодов Шоттки для реализации логических функций и уменьшения логического перепада;

2)за счет создания структур с низкоомным эмиттером: активная область эмиттерного перехода приближается к размеру коллектора;

3)за счет применения металлического коллектора.

Вход 1

Uвых = Uвх1 ^ Uвх2

VT1

Рис. 15.29. Схема, выполняющая логические операции ИЛИ-НЕ и ИЛИ

Достоинствами элементов интегральной инжекционной логики и микросхем на их основе являются: малое потребление энергии, среднее быстродействие, высокая степень интеграции.

Недостатками являются: малый перепад между логической единицей и нулем, чувствительность к помехам, невозможность непосредственной стыковки с другими типами логических микросхем. Элементы И2Л используются для создания БИС и СБИС, где они выполняют все логические функции внутри структуры, ее связь с внешними цепями осуществляется с помощью ТТЛ элементов.

293

15.7. Правила схемного включения элементов

Выпускаемые промышленностью микросхемы ТТЛ серий выполняют простейшие логические операции (И-НЕ; ИЛИ-НЕ и др.), содержат в одном корпусе несколько независимых логических элементов, связанных между собой только источником питания.

Если некоторые логические элементы, входящие в состав корпуса, не используются, то рекомендуется такие элементы включать так, чтобы на их выходах был высокий потенциал. Для этого входы неиспользуемых элементов ТТЛ серий, выполняющих операции И-НЕ и ИЛИ-НЕ, соединяют с общей (земляной) шиной. В таком состоянии элемент потребляет (рассеивает) минимальную мощность и его выход можно использовать как источник логической единицы на входах других схем.

Неиспользованные входы логического элемента ТТЛ серий можно оставлять свободными, но при этом снижается помехоустойчивость из-за воздействия наводок на свободные выводы. В сериях ТТЛ и ТТЛШ неиспользованные входы объединяют с другими используемыми входами, если это не ведет к превышению нагрузочной способности предыдущего каскада, либо подключают к источнику логической единицы.

В качестве источника логической единицы используют неиспользованные элементы, входы которых заземлены, или источник питания микросхемы, который подключают ко входу через резистор с сопротивлением 1 кОм, ограничивающий входной ток. К одному такому резистору обычно подключается до 20 неиспользованных входов.

Для уменьшения помех по цепи питания в точках подключения к шинам групп логических элементов включаются развязывающие керамические конденсаторы емкостью порядка 0,1 мкФ на один корпус. При большом числе одновременно переключаемых логических элементов скачки тока в цепи питания достигают десятков А. Поэтому между цепью питания и общей шиной устанавливаются электролитические конденсаторы большой емкости, которые компенсируют кратковременные импульсы тока и обеспечивают уменьшение взаимосвязей логических элементов через цепь питания.

Небольшие значения выходных сопротивлений элементов ТТЛ серий приводят к тому, что во время переключения схемы ток в цепи питания возрастает и может в несколько раз превышать ток, потребляемый схемой в статическом режиме. Поэтому при увеличении частоты переключения мощность, потребляемая ТТЛ схемой со сложным инвертором, растет, все это приводит к недопустимости соединения выходов нескольких схем.

294

Контрольные вопросы

1.Какие типы серий логических ИМС вам известны, как они классифицируются?

2.По каким характеристиками сравнивают серии ИМС?

3.Приведите сравнительные характеристики биполярных серий.

4.Что дает применение перехода Шоттки в логических элементах?

5.Где применяют логические элементы с открытым коллектором?

6.В чем достоинства и недостатки серий, использующих МОП и КМОП технологии?

7.МДП-транзисторы какого типа проводимости канала обладают большим быстродействием?

8.В чем принцип работы ЭСЛ-логики?

9.Как работает логическая схема на транзисторах с инжекционным питанием?

10.Приведите правила схемотехнического включения элементов.

Список использованных литературных источников

1.Москатов, Е. А. Электронная техника / Е. А. Москатов. – Таган-

рог, 2004. – 121 с.

2.Ткаченко, Ф. А. Техническая электроника : учеб. пособие / Ф. А. Ткаченко. – Минск : Дизайн ПРО, 2000. – 352 c. : ил.

3.Петров, К. С. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника : учеб. пособие / К. С. Петров. – СПб. : Питер, 2003. – 512 с. : ил.

4.Кутыркин, Ю. М. Зарубежные интегральные микросхемы широкого применения : справочник / Ю. М. Кутыркин, А. В. Нефедов, А. М. Савченко ; под ред. А. А.Чернышева. – М. : Энергоатомиздат, 1994. – 144 с. : ил.

295

РАЗДЕЛ 8. ГЕНЕРАТОРЫ

Содержание раздела

Генераторы гармонических колебаний. Общие сведения. Самовозбуждение генератора. LС-генераторы. Режимы самовозбуждения автогенераторов. Трехточечные автогенераторы гармонических колебаний. RСгенераторы. Стабилизация частоты в автогенераторах. Прочие типы генераторов. Магнетроны. Оптические квантовые генераторы (лазеры).

Мультивибраторы на аналоговых и логических элементах.

Методические указания [1, с 130 – 138, 258 – 285; 2, с 239 – 244; 3, с 179 – 186, 213 – 217; 4, с 496 – 511]

Используя материалы, изучить определения и классификацию электронных генераторов. Обратить внимание на области практического использования генераторов различных типов.

Изучить основные элементы структуры и теоретические особенности работы автогенераторов: условие баланса фаз и баланса амплитуд. Разобраться в особенностях режимов самовозбуждения. Уделить внимание практическим схемам автогенераторов, элементам реализации фазосдвигающих цепей и способам стабилизации частоты автогенераторов.

Изучить принцип работы магнетрона и лазеров.

Вопросы для самопроверки

1.Приведите структурную схему генератора с внешним возбуждением и автогенератора. Что между ними общего и в чем разница?

2.Где используют генераторы специальной формы и мультивибраторы?

3.Можно ли усилитель превратить в автогенератор? Что для этого нужно выполнить?

4.Чем характерны мягкий и жесткий режимы самовозбуждения?

5.Какие характеристики и показатели генераторов вам известны?

6.Почему в настоящее время используют кварцевые резонаторы в генераторах?

7.Как устроен и работает магнетрон?

8.Расскажите, как работает мультивибратор на логических элементах.

9.Что такое таймер? Область применения таймеров.

296

Рекомендуемая литература

1.Быстров, Ю. А. Электронные цепи и микросхемотехника : учеб. для электротехн. и энерг. вузов / Ю. А. Быстров, И. Г. Мироненко. – М. :

Высш. шк., 2002. – 384 с. : ил.

2.Ткаченко, Ф. А. Техническая электроника : учеб. пособие / Ф. А. Ткаченко. – Минск : Дизайн ПРО, 2000. – 352 c. : ил.

3.Карлащук, В. И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа

Electronics Workbench и ее применение / В. И. Карлащук. – М. : «Солон-Р», 1999. – 506 с.

4.Петров, К. С. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника : учеб. пособие / К. С. Петров. – СПб. : Питер, 2003. – 512 с. : ил.

Тема 16. Автогенераторы электрических колебаний

Термины: генератор, автогенератор, мультивибратор, возбужде-

ние, резонансная система, мягкий и жесткий режимы самовозбуждения, трехточка, фазосдвигающая цепь, кварцевый резонатор, пьезоэффект, магнетрон, лазер.

16.1.Генераторы гармонических колебаний. Общие сведения

16.2.Самовозбуждение генератора

16.3.LС-генераторы

16.4.Режимы самовозбуждения автогенераторов

16.5.Трехточечные автогенераторы гармонических колебаний

16.6.RС-генераторы

16.7.Стабилизация частоты в автогенераторах

16.8.Прочие типы генераторов. Магнетроны

16.9.Оптические квантовые генераторы (лазеры)

16.1.Генераторы гармонических колебаний. Общие сведения

Прежде чем приступить к анализу автогенераторов (автоколебательных систем), сформулируем основные понятия. Устройства, предназначенные для создания электрических колебаний, называют генераторами. С точки зрения режима работы их разделяют на автогенераторы и генераторы с внешним возбуждением.

Автогенератор (часто, просто генератор) – устройство, преобразующее энергию постоянного тока в энергию электрических колебаний требуемой частоты и формы.

297

Генератор с внешним возбуждением (в импульсной технике – жду-

щий генератор) переходит в режим генерации, формирования или усиления электрических колебаний только при поступлении на его вход сигналов возбуждения (запуска).

В зависимости от формы вырабатываемых напряжений различают

генераторы гармонических и релаксационных (импульсных) колебаний. Ге-

нератор гармонических колебаний (к ним относятся и генераторы СВЧ колебаний) вырабатывает сигнал, в спектре которого присутствует практически одна гармоника. Выходные колебания релаксационного генератора содержат широкий спектр гармонических составляющих, часто имеющих соизмеримые амплитуды. Можно отметить и генераторы линейных пило- образных напряжений, которые относятся к релаксационным.

К импульсным устройствам относятся мультивибраторы, триггеры, одновибраторы, блокинг-генераторы, генераторы линейно изменяющегося напряжения.

Мультивибратор – это электронный узел для формирования импульсов прямоугольной формы с требуемыми параметрами.

Независимо от назначения, принципа действия и схемотехнического выполнения автогенератор любых перечисленных колебаний (кроме пара-

метрических схем) состоит из нелинейного усилителя, цепи положитель- ной обратной связи (ОС) и источника питания постоянного тока. Форма и частота выходных колебаний определяется только параметрами самого автогенератора, между тем как в генераторе с внешним возбуждением амплитуда и частота колебаний навязываются извне.

Генератор гармонических колебаний должен обязательно содержать

узкополосную колебательную систему. Принцип действия релаксационных генераторов основан на зарядно-разрядных или накопительно-поглоща-

ющих явлениях, протекающих в широкополосных энергоемких цепях поло-

жительной обратной связи.

16.2. Самовозбуждение генератора

Рассмотрим условия самовозбуждения генератора гармонических колебаний. Для процесса возбуждения и генерации колебаний часть мощности с выхода усилителя (точнее, с колебательной системы) подается на его вход по цепи положительной ОС. Говоря другими словами, подобное устройство «возбуждает само себя» и поэтому называется генератором с самовозбуждением.

Механизм возникновения колебаний можно упрощенно трактовать следующим образом. При запуске в колебательной системе автогенератора

298

самопроизвольно возникают слабые свободные колебания, обусловленные включением источников питания, замыканием цепей, скачками токов и напряжений в усилительном приборе и т.д. Благодаря специально введенной цепи положительной ОС часть энергии колебаний, возникающих на выходе усилителя, поступает на его вход. Ввиду наличия узкополосной (обязательно высокодобротной) колебательной системы описанные процессы происходят на одной частоте ωр и резко затухают на других частотах.

Вначале, после включения питания автогенератора, усиление сигнала происходит в линейном режиме, а затем, по мере роста амплитуды колебаний, существенную роль начинают играть нелинейные свойства усилительного элемента. В результате амплитуда выходных колебаний генератора, нарастая, достигает некоторого установившегося уровня и остается практически неизменной. Энергия, отбираемая у источника постоянного тока усилителем схемы за один период колебаний, оказывается равной энергии, расходуемой за то же время в нагрузке. В этом случае говорят о стационарном режиме работы автогенератора.

Автогенератор гармонических колебаний (как, впрочем, и колебаний любой формы и частоты) можно представить обобщенной структурной схемой (рис. 16.1), состоящей из нелинейного усилителя и цепи положительной ОС.

Источник

питания

Uос

Рис. 16.1. Обобщенная структурная схема автогенератора

Выражение для напряжения ОС на любой частоте генерации ω запишем в виде:

Uос = Uвx. = βUвых..

Тогда выходное напряжение Uвых. = KUвx. или Uвых. = КβUвых..

299

Автогенератор будет работать в стационарном режиме при условии, что

Кβ = 1.

Если же Кβ > 1, то амплитуда выходных колебаний будет непрерывно нарастать, что определяет необходимое условие самовозбуждения генератора.

Принимаем φк(ω) = φк и ωβ(ω) = ωβ – фазовые сдвиги, вносимые соответственно усилителем и цепью положительной ОС на текущей частоте ω.

В теории автогенераторов условие, описывающее стационарный режим работы, принято представлять в виде двух равенств:

Kβ = Kос =1; ϕk = ϕβ = 2πn,

где Kос – коэффициент усиления усилителя с ОС; параметр n = 0, 1, 2, 3, ... .

Первое соотношение определяет условие баланса амплитуд в автогенераторе. Из него следует, что в стационарном режиме на генерируемой частоте коэффициент усиления усилителя с обратной связью Кос равен единице.

Второе равенство характеризует условие баланса фаз. Оно показывает, что в стационарном режиме суммарные фазовые сдвиги сигнала на частоте генерации, создаваемые усилителем и цепью положительной ОС, должны быть равны (или кратны) 2π. Следует отметить, что только условие баланса фаз позволяет определить частоту генерируемых колебаний.

В схемах автогенераторов гармонических колебаний, работающих в стационарном режиме, соотношения выполняются на одной фиксированной частоте ωр, которая является резонансной для узкополосной колебательной системы. При работе автогенератора негармонических колебаний условия должны выполняться для некоторой полосы частот.

Наиболее часто в автогенераторах гармонических колебаний в качестве узкополосных колебательных систем используются резонансные LCконтуры и частотно-зависимые (фазирующие) RС-цепи. Автогенераторы гармонических колебаний с упомянутыми резонансными контурами назы-

вают LC-генераторами, а с фазирующими RС-цепями – RС-генераторами.

LC-генераторы способны вырабатывать колебания достаточно высокой частоты (более 100 кГц), a RC-генераторы используются для создания гармонических колебаний низкочастотного диапазона (от десятков кГц до единиц и даже долей Гц).

300